海港航道設(shè)計(jì)

海港航道設(shè)計(jì)注冊(cè)土木工程師（港口與航道專業(yè)）執(zhí)業(yè)資格考試輔導(dǎo)*第一頁(yè)，共三十八頁(yè)。海港航道設(shè)計(jì)考試大綱要求1.掌握航道選線的原則及要求，提出并綜合分析、比選各選線方案，找出推薦方案；2.掌握航道設(shè)計(jì)中各項(xiàng)尺度的計(jì)算和影響因素；3.掌握海港航道乘潮水位確定的方法；4.熟悉航道泥沙淤積和沖刷的計(jì)算方法；5.掌握疏浚土分類、開(kāi)挖尺度、拋泥區(qū)的選擇和挖方量計(jì)算原則。*第二頁(yè)，共三十八頁(yè)。講述的主要內(nèi)容概述第一章航道選線第二章航道寬度第三章航道水深第四章轉(zhuǎn)彎航道設(shè)計(jì)第五章航道邊坡設(shè)計(jì)第六章超寬和超深計(jì)算第七章疏浚土的處理*第三頁(yè)，共三十八頁(yè)。概述隨著國(guó)際貿(mào)易貨運(yùn)量增長(zhǎng)，為降低貨物運(yùn)輸?shù)某杀?，各種船舶尺度迅速增加。因此，為船舶進(jìn)出港口提供有效而安全的航行通道，已成為海港建設(shè)和疏浚工程的關(guān)鍵問(wèn)題。尤其是近40年來(lái)，疏浚技術(shù)的進(jìn)步，港口運(yùn)量急劇增加，世界范圍的原油、煤炭、礦石和集裝箱運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，促使一些營(yíng)運(yùn)了幾十年甚至上百年的老港，為接納大型或超大型船舶，加大港口的通過(guò)能力，不得不重新規(guī)劃和浚深拓寬航道。我國(guó)一些新建海港和河口港，由于地質(zhì)、潮汐、風(fēng)浪流和泥沙回淤的影響，其航道設(shè)計(jì)是港口建設(shè)中一項(xiàng)重要的研究課題。作為一個(gè)單獨(dú)航道項(xiàng)目研究通常有如下幾個(gè)方面：*第四頁(yè)，共三十八頁(yè)。（1）使用該航道的港口泊位情況：泊位數(shù)、泊位噸級(jí)、最大泊位噸級(jí)、規(guī)劃建設(shè)情況等；（2）調(diào)查港口腹地的經(jīng)濟(jì)資源及近期、中期、遠(yuǎn)期發(fā)展?fàn)顩r，調(diào)查港口貨源、貨種、流向和不同發(fā)展時(shí)期的貨運(yùn)量，以此論證船舶運(yùn)輸和合理性和航道建設(shè)規(guī)模；（3）調(diào)查通航船舶的有關(guān)資料，包括兩年來(lái)進(jìn)港船型統(tǒng)計(jì)及增長(zhǎng)率；來(lái)港船舶不平衡系數(shù)；最大船型主尺度；不同專用船、特別是LPG，LNG及其它危險(xiǎn)品船來(lái)港情況，經(jīng)濟(jì)船型論證及設(shè)計(jì)船型的發(fā)展趨勢(shì)；（4）分析計(jì)算建設(shè)該航道所產(chǎn)生的效益。*第五頁(yè)，共三十八頁(yè)。第一章航道選線通常航道的一端是由港口的位置決定的，當(dāng)進(jìn)出港口的水域水深滿足船舶航行的水深要求時(shí)，航道選線將不受疏浚工程費(fèi)的限制，僅考慮風(fēng)、流、浪、導(dǎo)助航設(shè)施布設(shè)等因素，而當(dāng)進(jìn)出港水域水深不能滿足船舶航行時(shí)，還需考慮疏浚工程量、施工、維護(hù)等因素。選擇進(jìn)港航道最佳方位是港口總體規(guī)劃、可行性研究和總平面布置中的一項(xiàng)重要工作。因此，航道選線要貫徹操船安全、挖方量少、施工期短、疏浚維護(hù)方便和投資省等技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理原則。*第六頁(yè)，共三十八頁(yè)。為了有助于航道設(shè)計(jì)者掌握選線方法，建議有關(guān)選線設(shè)計(jì)的布置原則和要求如下：一、充分了解及分析地質(zhì)地貌及泥沙條件

二、論證航行安全

三、分析研究水文氣象條件

四、河口航道選線原則*第七頁(yè)，共三十八頁(yè)。第二章航道寬度一、確定航道寬度的方法二、單雙航道的確定三、航道寬度計(jì)算*第八頁(yè)，共三十八頁(yè)。一、確定航道寬度的方法1、實(shí)船觀測(cè)方法2、船舶模擬試驗(yàn)3、操船模擬裝置試驗(yàn)4、數(shù)學(xué)模擬計(jì)算5、理論和統(tǒng)計(jì)計(jì)算法*第九頁(yè)，共三十八頁(yè)。二、單雙航道的確定由單航道拓寬為雙航道．建議按以下幾種情況確定：1、每天進(jìn)出港船流密度大于航道全天候通航時(shí)船舶艘次數(shù)的90%；2、航道較長(zhǎng)，船流密度較大，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證拓寬航道較為經(jīng)濟(jì)；3、到港船舶噸位范圍較大時(shí)，可采用復(fù)式航道（即一側(cè)為大船，另一側(cè)為小船航行）或大船為單航道，小船為雙航道；4、當(dāng)河口港航道較長(zhǎng)，中途有較長(zhǎng)的淺灘或多處淺段時(shí)，船舶不能調(diào)度避讓，可建設(shè)雙向航道。*第十頁(yè)，共三十八頁(yè)。三、航道寬度計(jì)算航道有效寬度W由航跡帶寬度A、船舶間的富余寬度B、船舶與航道底邊的富裕寬度C組成（見(jiàn)圖1-6），根據(jù)港口工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定，單雙航道寬度分別按下式計(jì)算：?jiǎn)魏降溃篧＝A+2C（2-1）雙航道：W＝2A+b+2C*第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)。航道寬度的計(jì)算主要依據(jù)以下幾方面：1、船舶偏航和漂移運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析2、航跡帶寬度的計(jì)算3、船舶之間富余寬度b的確定4、船舶與航道底邊間的富余寬度C的確定*第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)。1、船舶偏航和漂移運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

船舶在具有風(fēng)浪流的海域中航行時(shí)，將受下列因素的影響：（1）由于船舶加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和慣性矩；（2）船殼外側(cè)水動(dòng)力壓力；（3）舵力；（4）風(fēng)壓力；（5）流壓力；（6）波浪壓力；（7）航道兩側(cè)的岸吸力；（8）錯(cuò)船時(shí)的船吸力；（9）航速影響的下座力；（10）螺旋槳產(chǎn)生的縱向水平推進(jìn)力和橫向推進(jìn)力。*第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)。2、航跡帶寬度的計(jì)算經(jīng)論證，在不同風(fēng)流條件下，航跡帶寬度A與船舶偏航投影寬度Lsin+B有一定的相關(guān)倍數(shù)，稱為船舶漂移倍數(shù)n（見(jiàn)圖2-2），根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立計(jì)算公式如下：A＝n（Lsin+B）（2-2）式中：A——航跡帶寬度（m）；n——船舶漂移倍數(shù)，見(jiàn)表2-1；

——風(fēng)流壓偏角（°），見(jiàn)表2-1；B——設(shè)計(jì)船寬（m）。滿載船舶漂移倍數(shù)n和和流壓偏角g值表2-1

*第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)。3、船舶之間富余寬度b的確定船舶之間的富余寬度b是指分道通航的雙向航道中，船舶相向航行相會(huì)錯(cuò)船時(shí)，為防止發(fā)生船吸現(xiàn)象而保持兩航跡帶間的內(nèi)側(cè)橫向凈距。兩船間的相互作用，主要受船型尺度、兩船間距、航速和操船性能等因素的影響。許多國(guó)家諸如美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、荷蘭及英國(guó)等一些港口和科研機(jī)構(gòu)，做了大量的理論研究和船型試驗(yàn)，取得了許多很有參考價(jià)值的科研成果?？偨Y(jié)國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)資料和我國(guó)的一些港口實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議兩航跡帶間的內(nèi)側(cè)距離不得小于最大設(shè)計(jì)船寬。*第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)。4、船舶與航道底邊間的富余寬度C的確定船舶與航道底邊線間的富余寬度C是指船舶在航道中以蛇形航跡前進(jìn)時(shí)，航跡帶外側(cè)與邊坡底邊線的最小安全距離。C與航道水深、寬度、斷面形狀；船舶性能、航速；水文氣象條件和地質(zhì)條件等因素都有密切的關(guān)系。通常一般規(guī)律是，航道越寬或水深越淺C值越大；航道兩側(cè)岸灘水深越淺C值越大；航道底質(zhì)越硬或回淤嚴(yán)重時(shí)C越大。不同專業(yè)船舶通航的航道C不同，一般LPG、LNG和油輪等危險(xiǎn)品船C＞散貨船C＞雜貨船或集裝箱船C，其范圍為0.5B≤C≤1.5B。規(guī)范要求C值按表2-2選取。船舶與航道底邊間的富余寬度C表2-2

*第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)。第三章航道水深航道水深是在港口當(dāng)?shù)匾欢ǖ淖匀粭l件下，滿足設(shè)計(jì)船型滿載吃水航行所要求的最小安全深度。通常，確定進(jìn)港航道水深的影響因素有：（1）船舶裝載條件；（2）水位條件；（3）船舶航行條件；（4）波浪影響條件；（5）航道底質(zhì)條件等。詳見(jiàn)圖3-1所示。*第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)。一、航道設(shè)計(jì)水位的確定

1、航行密度2、通航持續(xù)時(shí)間3、設(shè)計(jì)乘潮水位*第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)。二、航道水深設(shè)計(jì)航道水深通常有兩種尺度，一是通航水深D。（又稱通告水深），二是設(shè)計(jì)水深D（又稱航道疏浚水深），分別按圖3-3及式（3-4）和（3-5）確定。圖3-3航道水深設(shè)計(jì)示意圖*第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)。通航水深：D0＝T+ZO+Z1+Z2+Z3(3-4)設(shè)計(jì)水深：D＝D0+Z4(3-5)式中：T——設(shè)計(jì)船型滿載吃水（m）；ZO——船舶航行時(shí)船體下沉值（m）；Z1——航行時(shí)龍骨下最小富余深度（m）；Z2——波浪富余深度（m）；Z3——船舶裝載縱傾富余深度（m）；Z4——備淤富余深度（m）。*第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)。式中各參數(shù)的確定：1、船舶航行下沉值ZO

*第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)。2、龍骨下最小富余深度Z1

龍骨下最小富裕深度z1（m）

*第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)。3、波浪影響的富裕深度Z2

船浪夾角ψ與Z2/H4%的變化系數(shù)值表3-2*第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)。4、船舶裝載縱傾富裕深度Z3

船舶裝載縱傾富余深度是根據(jù)不同船型特點(diǎn)、裝載貨物情況和航行要求，在港口裝貨配載時(shí)，由于首尾縱傾而增加的吃水超深值。通過(guò)對(duì)我國(guó)各港實(shí)船資料統(tǒng)計(jì)分析，以及從國(guó)內(nèi)外各種標(biāo)準(zhǔn)船型的規(guī)定表明，雜貨船、多用途船和集裝箱船雖尾傾吃水大，但實(shí)載率較低，均小于滿載吃水，所以以這些設(shè)計(jì)船型為準(zhǔn)進(jìn)行航道水深設(shè)計(jì)時(shí)一般不予考慮z3值；對(duì)于油船和散貨船，多為滿載航行，規(guī)范規(guī)定Z3＝0.15m。*第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)。5、備淤富余深度Z4備淤深度與下列因素有關(guān)：（l）港口附近海域水文氣象和地質(zhì)地貌條件，以及航道受風(fēng)浪流影響的回淤?gòu)?qiáng)度；（2）航道平面布置、掩護(hù)情況、走向和斷面尺度；（3）維護(hù)挖泥采用的挖泥船類型和疏浚工程施工的頻繁程度。一般應(yīng)結(jié)合各港的具體情況，在保證航道通航水深的前提下，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，然后根據(jù)計(jì)算的或?qū)嶋H觀測(cè)的港口泥沙回淤?gòu)?qiáng)度，按合理的挖泥間隔期內(nèi)產(chǎn)生的淤積量確定，通常不小于0.4m。對(duì)于不淤港口不計(jì)Z4值；對(duì)于淤積嚴(yán)重的港口，可適當(dāng)增加備淤深度，但最好不大于1.0m。*第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)。第四章轉(zhuǎn)彎航道設(shè)計(jì)一、航道轉(zhuǎn)彎半徑的確定

二、航道轉(zhuǎn)彎段增加的富裕寬度

三、航道轉(zhuǎn)向拓寬方式*第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)。一、航道轉(zhuǎn)彎半徑的確定：確定轉(zhuǎn)彎半徑一般應(yīng)遵循的原則如下：1、航道轉(zhuǎn)彎半徑與設(shè)計(jì)船長(zhǎng)有關(guān)，船舶尺度越大，所要求的轉(zhuǎn)彎半徑越大；2、不同專業(yè)船舶轉(zhuǎn)彎半徑不同，行駛油船和危險(xiǎn)品船舶的航道轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)大于其它專業(yè)船舶使用的航道；3、轉(zhuǎn)彎半徑隨水文地質(zhì)條件變化，風(fēng)浪流大的水域應(yīng)增大R值；對(duì)于回淤嚴(yán)重、岸坡不穩(wěn)定或土質(zhì)較堅(jiān)硬的航道，也應(yīng)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)彎半徑；4、轉(zhuǎn)彎半徑隨航道水深／滿載吃水的加大而減小；5、航道寬度越窄或邊坡越陡，應(yīng)適當(dāng)加大轉(zhuǎn)彎半徑；6、航道轉(zhuǎn)向角越大轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)按規(guī)定增加；*第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)。7、航速設(shè)計(jì)航速越快，轉(zhuǎn)彎半徑要求越大；8、港外無(wú)掩護(hù)航道的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)大于港內(nèi)有掩護(hù)航道的轉(zhuǎn)彎半徑。外海航道應(yīng)大于港外航道的轉(zhuǎn)彎半徑；9、當(dāng)水域狹窄，地形條件復(fù)雜，選線困難而必須采用“S”彎轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大轉(zhuǎn)彎半徑；10、有拖船助航時(shí)，可適當(dāng)減小轉(zhuǎn)彎半徑；11、航道轉(zhuǎn)彎半徑還與轉(zhuǎn)彎段增加的富裕寬度有關(guān)，增加的富裕寬度越大，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)越??；12、當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時(shí)，采用不同的平衡舵角轉(zhuǎn)彎半徑不同，平衡舵角小轉(zhuǎn)彎半徑大，平衡舵角大轉(zhuǎn)彎半徑小；13、轉(zhuǎn)彎半徑與船舶操縱性能、特點(diǎn)、裝載情況、駕駛技術(shù)和其它人為因素有關(guān)。*第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)。關(guān)于按航道轉(zhuǎn)向角的大小及船舶長(zhǎng)度為依據(jù)，參照上述有關(guān)因素決定轉(zhuǎn)彎半徑，各國(guó)均有明確的規(guī)定和要求。根據(jù)我國(guó)各港的具體條件和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和分析，轉(zhuǎn)彎半徑范圍為R＝3L～10L，因此規(guī)范規(guī)定R值為：（1）φ≤10°不考慮轉(zhuǎn)彎段圓滑過(guò)渡，航道內(nèi)外邊線可直接相交；（2）10°＜φ≤30°，R＝3L～5L；（3）φ＞30°，R＝5L～10L；（4）轉(zhuǎn)向角小時(shí)R采用小值，轉(zhuǎn)向角大時(shí)R采用大值。*第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)。二、航道轉(zhuǎn)彎段增加的富裕寬度航道轉(zhuǎn)彎有效寬度W應(yīng)由四部分組成，即航跡帶寬度A；船舶間富裕寬度b；船舶與航道底邊線間的富余寬度C；航道轉(zhuǎn)彎段增加的富余寬度e。單向航道轉(zhuǎn)彎段：W=A+2C+e(4-1)雙向航道轉(zhuǎn)彎段：W=2A+b+2C+2e(4-2)式中：A、b．C取值與直航道相同。*第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)。三、航道轉(zhuǎn)向拓寬方式航道轉(zhuǎn)向拓寬應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)彎半徑和設(shè)計(jì)船長(zhǎng)確定，為疏浚施工方便，其通常采用的加寬方式如下：1、φ≤10°，航道內(nèi)外邊線相交，不必加寬；2、10°<φ≤10°R=3L～5L，采用凹岸切角加寬法（見(jiàn)圖4-1）；3、φ>30°,R＝5L～10L，采用折線切割加寬法4、對(duì)于特殊情況下R＞10L時(shí)，航道轉(zhuǎn)彎段可不予加寬；5、航道加寬的起始點(diǎn)應(yīng)布置在距曲線和直線相接點(diǎn)一個(gè)計(jì)算船長(zhǎng)的位置上。*第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)。圖4-1凹岸切角法圖

4-2梯形連接，凹岸折線切割法（虛線表示需要加寬時(shí)的作法）*第三十二頁(yè)，共三十八頁(yè)。第五章航道邊坡設(shè)計(jì)航道邊坡主要取決于航槽斷面土質(zhì)種類、物理力學(xué)特性；該海域波浪水流以及泥沙沉積對(duì)邊坡的影響；航道被掩護(hù)的程度；疏浚設(shè)備類型和施工方法；船舶航行時(shí)對(duì)邊坡的影響；邊坡形成的時(shí)間等等。航道邊坡分為設(shè)計(jì)邊坡和穩(wěn)定邊坡，設(shè)計(jì)邊坡是根據(jù)開(kāi)挖航槽的土質(zhì)特性而確定的邊坡；穩(wěn)定邊坡是在兩次維護(hù)期之間，定期維護(hù)疏浚開(kāi)始前，由于各種外部影響因素作用下，形成相對(duì)平衡和比較穩(wěn)定的邊坡稱為穩(wěn)定邊坡。設(shè)計(jì)邊坡建議參照土質(zhì)類似的航道邊坡和水文條件，按表5-1的土質(zhì)分類和貫λ擊數(shù)N值范圍選用，有條件時(shí)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)確定，所列表中的坡度，對(duì)于有掩護(hù)的航道或淺水域航道取小值，對(duì)于無(wú)掩護(hù)航道或深水航道取大值。穩(wěn)定邊坡的坡度，由于受外界因素影響，一般比上述設(shè)計(jì)邊坡緩一些，統(tǒng)計(jì)結(jié)果約大1～2左右，特殊情況可大幾倍。*第三十三頁(yè)，共三十八頁(yè)。各類土質(zhì)航道邊坡坡度表5-1*第三十四頁(yè)，共三十八頁(yè)。第六章超寬和超深計(jì)算按照《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》（JTJ319